Нелинейный перестраиваемый металло-сегнетоэлектрический фотонный кристалл (варианты) и способ его переключения

Изобретение относится к области нанотехнологии для оптоэлектроники. Фотонный кристалл содержит подложку, на поверхность которой нанесен нелинейно-оптический пленочный материал, на котором закреплена дифракционная решетка из меди, при этом материал обеспечивает возможность излучения светового потока на частоте второй гармоники, а дифракционная решетка является одновременно системой электродов для подачи переключающего поля. Переключение фотонного кристалла заключается в изменении угла направления светового луча на частоте второй гармоники, при отсутствии электрического поля выходящий из кристалла световой луч направлен под одним углом к поверхности приема, а изменение угла выхода светового луча из фотонного кристалла осуществляют удвоением периода нелинейной дифракционной решетки за счет переключения поляризации в сегнетоэлектрической пленке при приложении напряжения к электродной структуре в виде входной дифракционной решетки. Технический результат - повышение скорости передачи управляющих сигналов. 3 н.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологии для оптоэлектроники и фотоники и может быть использовано при создании активных оптических (фотонных) интегральных схем (ОИС). В рамках настоящего изобретения рассматривается конструкция фотонных кристаллов, реализующих функцию переключателя за счет изменения на выходе кристалла направления выходящего из кристалла излучения светового потока по принципу «0» и «1». Речь идет об оптических переключателях, на вход которых поступает направленное световое излучение, а на выходе можно получить два возможных переключаемых положения выходного светового потока, отличных по углу их выхода из кристалла.

Известно устройство, представляющее собой полосковый металлодиэлектрический одномерный фотонный кристалл, обладающий запрещенной фотонной зоной (A.Christ et al. Phys. Rev. Let, 92, 183901 (2003)).

Недостатком данного устройства является невозможность его переключения при фиксированных материале диэлектрика и геометрических параметрах металлической полосковой структуры.

Известно устройство, представляющее собой полосковый металлодиэлектрический одномерный фотонный кристалл, обладающий запрещенной фотонной зоной (Xi Yang et al. Appl. Opt. 41, 5845 (2002)), в котором дифракционная картина на основной частоте переключается под действием электрического поля.

Недостатком данного устройства является недостаточная точность и достоверность выходного оптического сигнала, поскольку глубина его модуляции электрическим полем составляет 0,02 (а отношение сигнал/шум не более 3). Такое ограничение глубины модуляции является принципиальным, поскольку устройство основано на электрооптическом эффекте, обеспечивающем электроиндуцированное изменение показателя преломления не более 0,005.

Также известно устройство, представляющее собой двумерный фотонный кристалл (воздушные цилиндрические поры внутри активного материала), который может переключаться, то есть изменять во времени пространственное распределение светового потока за счет линейных оптических эффектов (термооптического, электрооптического, механооптического и прочих эффектов) (US №6674949, G02B 6/10, G02F 1/01, G02F 1/035, 06.01.2004).

Известно устройство, представляющее собой двумерный фотонный кристалл на основе сегнетоэлектрического материала, переключаемого электрическим полем. Основной слой содержит фотонные кристаллы, сформированные сегнетоэлектрическими элементами, сделанными из сегнетоэлектрического вещества и периодически расположенными по одномерному направлению или двумерным направлениям. Электроды использованы для приложения электрического поля к основному слою (US № 7034978, G02F 1/03, 25.04.2006).

Данное решение принято в качестве прототипа для всех заявленных устройств.

Недостатком данного известного решения является недостоверность управляющего сигнала на выходе, обусловленная тем, что используется световое излучение на основной частоте, в связи с чем глубина модуляции не превышает единиц процентов, и тем, что переключение осуществляется за счет изменения угла падения поступающего на кристалл светового потока, что существенно сужает область регулирования.

Известен способ спектральной перестройки на частоте второй оптической гармоники двумерного нелинейного фотонного кристалла на основе сегнетоэлектрического материала, обладающего высокой нелинейностью (ниобата лития) и периодически поляризованными доменами с гексагональным упорядочением, размером и периодичностью, обеспечивающими спектральную область функционирования в ИК-диапазоне (US № 6926770, 09.08.2005). В этом способе для управления световым потоком на частоте второй гармоники используется условие фазового синхронизма, которое приводит к значительному усилению светового потока для определенных комбинаций углов-длин волн; перестройка осуществляется за счет изменения угла падения излучения на фотонный кристалл.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию новых оптических переключающих элементов для активных интегрированных устройств, функционирующих на основе нового принципа управления во времени пространственно-частотным распределением светового потока.

Достигаемый технический результат заключается в повышении скорости передачи управляющих сигналов и их точности и достоверности при сохранении упрощенной схемы формирования условий для переключения во времени направленного светового потока.

Указанный технический результат достигается тем, что в нелинейном перестраиваемом полосковом металлосегнетоэлектрическом одномерном фотонном кристалле, содержащем подложку из слабопоглощающего материала, на поверхность которой со стороны источника излучения нанесен сегнетоэлектрический пленочный материал, на котором нанесена металлическая дифракционная решетка, пленочный материал обеспечивает эффективную генерацию второй оптической гармоники, дифракционная решетка выполнена с попарно объединенными на нелинейно-оптическом пленочном материале штрихами с размерами и периодом, соответствующим заданной спектральной области, концы которых подключены к источнику формирования электрического поля, конфигурация электродов обеспечивает попарно противоположную ориентацию сегнетоэлектрической поляризации в плоскости пленки и удвоение периода нелинейной решетки, что приводит к изменению угла выходящего из фотонного кристалла светового луча на частоте второй гармоники относительно угла выходящего из фотонного кристалла светового луча при выключенном источнике формирования электрического поля.

Указанный технический результат достигается тем, что нелинейный перестраиваемый металлосегнетоэлектрический двумерный фотонный кристалл, содержащий подложку из слабопоглощающего материала, на поверхность которой со стороны источника излучения нанесен сегнетоэлектрический пленочный материал, на котором нанесена металлическая дифракционная решетка, снабжен приемником светового излучения, источник излучения выполнен с возможностью излучения светового потока на частоте второй гармоники, дифракционная решетка выполнена с попарно объединенными на нелинейно-оптическом пленочном материале штрихами с размерами и периодом, соответствующим заданной спектральной области и внутри которой сформированы цилиндрические поры с размерами и периодом пор, соответствующими заданной спектральной области, при этом концы дифракционной решетки подключены к источнику формирования электрического поля для изменения угла выходящего из фотонного кристалла светового луча относительно угла выходящего из фотонного кристалла светового луча при выключенном источнике формирования электрического поля.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Согласно настоящему изобретению заявленные объекты характеризуются новыми особенностями, такими как:

- дифракционная решетка непосредственно наносится на нелинейно-оптический пленочный материал;

- дифракционная решетка является одновременно системой электродов для подачи переключающего поля;

- функционирование фотонного кристалла осуществляется на частоте второй гармоники;

- дифракционная решетка является одновременно связующим элементом (каплером) для возбуждения нелинейно-оптических фотонно-кристаллических мод волной, падающей извне фотонного кристалла;

- переключение осуществляется при помощи электрического поля;

- обладает большим быстродействием за счет переключения электрическим полем, а не механическим перемещением;

- обладает более широкой спектральной областью за счет принципиально иного способа изготовления и возможности широкой варьируемости размеров пор фотонного кристалла и их периодичности.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.

На фиг.1 - изображение поверхности нелинейного перестраиваемого полоскового металлосегнетоэлектрического одномерного фотонного кристалла, полученное методом сканирующей электронной микроскопии;

фиг.2 - схематическое изображение поперечной структуры одномерного фотонного кристалла по фиг.1;

фиг.3 - показана схема работы фотонного кристалла по фиг.2 при отсутствии электрического поля;

фиг.4 - показана схема работы фотонного кристалла по фиг.2 при наличии электрического поля;

фиг.5 - изображение поверхности нелинейного перестраиваемого сегнетоэлектрического двумерного фотонного кристалла;

фиг.6 - схематическое изображение поперечной структуры двумерного фотонного кристалла по фиг.5;

фиг.7 - показана схема работы фотонного кристалла по фиг.5 при отсутствии электрического поля;

фиг.8 - показана схема работы фотонного кристалла по фиг.2 при наличии электрического поля, показана возможность управления во времени пространственно-частотным распределением светового потока.

Согласно настоящему изобретению нелинейный перестраиваемый полосковый металлосегнетоэлектрический одномерный фотонный кристалл представляет собой оптический переключатель, функционирующий по принципу изменения направления распространения выходящего из кристалла светового излучения на частоте второй гармоники с однозначным угловым позиционированием на приемнике. Такое функционирование тождественно получению алгоритма формирования электрических сигналов типа «0» и «1».

Устройство по этому примеру исполнения представляет из себя металлическую дифракционную решетку с попарно объединенными на общей базе штрихами, нанесенную (любыми литографическими методами) на поверхность сегнетоэлектрической пленки с размерами и периодом, определяющими спектральную область функционирования в диапазоне от УФ до ИК.

При таком исполнении устройство представляет собой полосковый металлодиэлектрический одномерный фотонный кристалл, позволяющий управлять во времени пространственно-частотным распределением светового потока.

Конструктивно одномерный фотонный кристалл состоит из подложки 1 в виде пластины из MgO (кристалл). Подложка представляет собой материал, слабопоглощающий на длине волны используемого излучения и на длине волны, половинной по отношению к используемому излучению. На поверхность пластины из MgO со стороны падения светового излучения от источника излучения нанесен нелинейно-оптический пленочный материал (сегнетоэлектрическая пленка 2 из BaO_0,5Sr_0,5TiO₃ (далее - BST). Пленочный материал выполнен с возможностью излучения светового потока на частоте второй гармоники.

Поверх пленки литографически нанесена металлическая дифракционная решетка 3 из меди (или любого другого металла) с попарно объединенными на общей базе штрихами, что представляет собой штырьковую электродную структуру, которая подключена к источнику напряжения 4. Также имеется управляющее устройство, обеспечивающее включение и выключение источника 4 формирования электрического поля, работающего по алгоритму «да» (есть электромагнитное поле) - «нет» (указанное поле отключено). При направлении на фотонный кристалл световое излучения 5 от, например, лазерного источника излучения при отсутствии электрического поля дифрагирует на дифракционной решетке, во всех порядках дифракции генерирует в пленке излучение 6 на частоте второй гармоники, которое распространяется под углом 10° к направлению распространения входящего светового излучения от лазерного источника излучения (фиг.3). При приложении электрического поля к электродной структуре за счет переключения поляризации происходит удвоение периода дифракционной решетки и поток излучения 7 на частоте второй гармоники распространяется под углом 5° к направлению распространения входящего светового излучения от лазерного источника излучения. Кроме того, при приложении электрического поля происходит значительное (на несколько порядков) увеличение интенсивности выходного сигнала, что позволяет четко отличить один выходной сигнал от другого. Такой принцип реализации работы фотонного кристалла позволяет использовать его в качестве пространственно-частотного переключателя для устройств считывания однотипных сигналов, отличающихся по параметрам пространственного положения и длины волны. Этот принцип работы проиллюстрирован на фиг.4.

При этом экспериментально показано, что наилучшие результаты по контрасту между «0» и «1» и точному пространственному позиционированию выходного светового излучения, не подверженного влиянию искажений, получены применительно к световому потоку излучения на частоте второй гармоники.

Нелинейный перестраиваемый металлосегнетоэлектрический двумерный фотонный кристалл (фиг.5, 6), состоящий из подложки 1 в виде пластины из MgO (кристалл) с нанесенной на ее поверхность сегнетоэлектрической пленкой 2 из Bao_0,5Sro_0,5TiO₃ (далее - BST), поверх которой нанесена литографически металлическая дифракционная решетка 3 из меди (или любого другого металла) с попарно объединенными на общей базе штрихами, что представляет собой штырьковую электродную структуру, которая подключена к источнику напряжения 4. Методом фокусированного ионного зонда (или любыми литографическими методами) внутри пленки созданы цилиндрические поры с заданным упорядочением (с квадратной, гексагональной и другой симметрией, включая квазикристаллическую с размерами и периодом пор, определяющими спектральную область функционирования в диапазоне от УФ до ИК). Также имеется управляющее устройство, обеспечивающее включение и выключение источника 4 формирования электрического поля, работающего по алгоритму «да» (есть электромагнитное поле) - «нет» (указанное поле отключено). Такое устройство представляет собой двумерный металодиэлектрический фотонный кристалл, позволяющий управлять во времени пространственно-частотным распределением светового потока по законам, отличающимся от законов устройства по первому примеру исполнения.

Функционирует данный фотонный кристалл-переключатель так же, как описанное устройство по первому примеру исполнения. Однако устройство по второму примеру исполнения позволяет реализовать функцию многочастотности, то есть функционировать на разных длинах волн. На фиг.7 и 8 поз.8 показан приемник с пиксельной матрицей. В отсутствие поля (фиг.7) приемник не регистрирует никакого излучения. При наличии поля (фиг.8) регистрируется излучение, распространяющееся в направлении, зависящем от длины волны. Переключатель может работать на разных длинах волн, при этом для каждой выбранной длины волны подбирается положение пикселя (фиг.8) и такой переключатель становится многочастотным, то есть происходит пространственно-частотное перераспределение светового потока. Данное становится возможным при использовании фотонного кристалла и многопиксельного чувствительного приемника, имеющего возможность приема выходных световых излучений в заданном пространстве приемной матрицы.

Принцип работы фотонных кристаллов основан на использовании металлической полосковой структуры (наряду с созданием фотонной структуры) в качестве электродной структуры для создания электрического поля в сегнетоэлектрике между двумя соседними электродами, что приводит к изменению его оптических свойств за счет электрооптического эффекта, при этом изменение положения запрещенной фотонной зоны для линейно-оптических свойств, а также поглощения и пропускания не превышает долей процента, при этом происходит гигантское (на несколько порядков) усиление нелинейно-оптических сигналов (оптических гармоник) и изменение во времени при приложении поля пространственно-частотного распределения светового потока на частотах гармоник.

Приведенные примеры конструкций фотонных переключателей реализуют один и тот же способ переключения, заключающийся в направлении светового луча на частоте второй гармоники на приемную поверхность фотонного кристалла, преломлении этого потока при прохождении его через этот кристалл и получении выходного светового луча под заданным углом на поверхности приемника светового излучения, при этом для изменения угла выхода светового луча в направлении поверхности приемника на выходе светового излучения из фотонного кристалла формируют электрическое поле путем пропуска тока через дифракционную решетку, расположенную на выходе светового луча из фотонного кристалла. Иначе говоря, при решении задачи изменения угла направления светового луча на частоте второй гармоники, выходящего из фотонного кристалла, данное изменение угла выхода светового луча из фотонного кристалла осуществляют формированием электрического поля путем пропуска тока через дифракционную решетку, расположенную на выходе светового луча из фотонного кристалла.

Настоящее изобретение теоретически доказано и лабораторно опробовано. Промышленное освоение таких переключателей позволит создать совершенно новый тип активных оптических (фотонных) интегральных схем.

1. Нелинейный перестраиваемый полосковый металло-сегнетоэлектрический фотонный кристалл, содержащий подложку, представляющую собой материал, слабо поглощающий на длине волны используемого излучения и на длине волны, половинной по отношению к используемому излучению, на поверхность которой со стороны падения светового излучения от источника излучения нанесен нелинейно-оптический пленочный материал, на котором закреплена дифракционная решетка из меди, отличающийся тем, что пленочный материал обеспечивает возможность излучения светового потока на частоте второй гармоники, при этом фотонный кристалл выполнен одномерным, а дифракционная решетка является одновременно системой электродов для подачи переключающего поля и выполнена с попарно объединенными на нелинейно-оптическом пленочном материале штрихами с размерами и периодом, соответствующими заданной спектральной области функционирования, концы которых подключены к источнику формирования электрического поля для изменения угла выходящего из фотонного кристалла светового луча при подаче переключающего поля относительно угла выходящего из фотонного кристалла светового луча при выключенном источнике формирования электрического поля.

2. Нелинейный перестраиваемый металло-сегнетоэлектрический фотонный кристалл, содержащий подложку, представляющую собой материал, слабо поглощающий на длине волны используемого излучения и на длине волны, половинной по отношению к используемому излучению, на поверхность которой со стороны падения светового излучения от многочастотного источника излучения нанесен нелинейно-оптический пленочный материал, на котором закреплена дифракционная решетка из меди, отличающийся тем, что пленочный материал обеспечивает возможность излучения светового потока на частоте второй гармоники, при этом фотонный кристалл выполнен двумерным и внутри нелинейно-оптического пленочного материала сформированы цилиндрические поры с размерами и периодом пор, соответствующими заданной спектральной области функционирования, а дифракционная решетка, являющаяся одновременно системой электродов для подачи переключающего поля, выполнена с попарно объединенными на нелинейно-оптическом пленочном материале штрихами, при этом концы дифракционной решетки подключены к источнику формирования электрического поля для изменения угла выходящего из фотонного кристалла светового луча при подаче переключающего напряжения относительно угла выходящего из фотонного кристалла светового луча при выключенном источнике формирования электрического поля.

3. Способ переключения нелинейного металло-сегнетоэлектрического фотонного кристалла, включающий направление светового луча на основной частоте на приемную поверхность электродной структуры фотонного кристалла, дифракцию этого потока при прохождении через электродную структуру фотонного кристалла, генерацию второй оптической гармоники при прохождении через нелинейно-оптический материал фотонного кристалла и получение выходного светового луча под заданным углом на поверхности приемника светового излучения, отличающийся тем, что используют пленочный нелинейно-оптический материал и дифракционную решетку, выполненную с попарно объединенными на нелинейно-оптическом пленочном материале штрихами с размерами и периодом, соответствующим заданной спектральной области функционирования, которая является одновременно системой электродов для подачи переключающего поля, и для изменения угла выхода светового луча в направлении поверхности приемника в нелинейно-оптическом пленочном материале фотонного кристалла формируют электрическое поле, вызывающее изменение нелинейной восприимчивости нелинейно-оптического материала фотонного кристалла и удвоение периода дифракционной решетки путем приложения напряжения на входную электродную структуру.